Жидкости при нагревании расширяются более существенно, чем твердые тела. Ацетон имеет очень большое тепловое расширение, вода и ртуть в жидком состо­янии имеют маленькое тепловое расширение.

Каждое тело при охлаждении сжимается, исключение из правила составля­ет вода (аномалия воды). Хоть при охлаждении до +4°С вода и уменьшает свой объем, однако при дальнейшем охлаждении от +4 до 0°С снова увеличивает объем. Поэтому вода при +4°С имеет самую большую плотность. Увеличение объема льда — это причина того, что лед плавает в воде, а замерзшие водопрово­ды лопаются.

ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМА ГАЗООБРАЗНЫХ ТЕЛ

Газы при нагревании расширяются намного сильнее, чем жидкости. Их расши­рение при повышении температуры на ГС составляет 1/273 их объема при 0°С. Например, если воздух в пространстве нагревается, то он расширяется. Его плот­ность по сравнению с ненагретым воздухом меньше, поэтому нагретый воздух поднимается вверх.

Газы, которые находятся в закрытой емкости, например в бутылке, при нагревании не могут расширяться. Давление газа увеличивается, что может привести к разрыву емкости.

ПЛАВЛЕНИЕ И КИПЕНИЕ

Вещества встречаются в трех различных состояниях — твердом, жидком и газооб­разном, которые можно назвать агрегатными состояниями. Преобразование из одного состояния в другое происходит при определенной температуре (рис. 14.90).

Твердое вещество становится жидким, если молекулы благодаря притоку тепла начинают двигаться так интенсивно, что теряют привязку к определенному мес­ту внутри структуры. Температура, при которой это происходит, называется точ­кой плавления или температурой плавления (табл. 14.20).

Чтобы перевести 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, необходимо определенное количество теплоты, так называемая теплота плавления. Она со­ставляет, например, для воды 335 кДж/кг.

При возрастающем нагревании жидкости теп­ловое движение молекул усиливается так, что силы их взаимного притяжения окончательно исчезают, и жидкость становится газообразной. Этот процесс называют испарением (рис. 14.91). При этой тем­пературе жидкость достигает точки кипения или температуры кипения (табл. 14.21). То количество теплоты, которое может привести к преобразова­нию 1 кг жидкости из жидкого в газообразное со­стояние, называют теплотой испарения. Оно состав­ляет, например, для воды 2250 кДж/кг.

КОНДЕНСАЦИЯ И ЗАТВЕРДЕВАНИЕ

Если газообразное тело лишается тепла, например водяной пар, то при соответствующей температу­ре оно конденсируется в жидкость, например воду. Эту температуру можно назвать точкой конденса­ции или точкой росы, при этом выделяется тепло в виде теплоты конденсации. Теплота конденсации равна теплоте испарения. В строительстве прежде всего должны обращать внимание на конденсацию водяного пара на внутренних поверхностях наруж­ных стен и внутри строительных конструкций. Влажность в зданиях ведет к нанесению ущерба со­оружениям и уменьшению теплоизоляции.

Если жидкость охлаждается, то она застывает. Температуру, при которой это происходит, назы­вают точкой затвердевания (рис. 14.90), для воды это точка замерзания или точка таяния льда.

Точка плавления и точка затвердевания совпа­дают. Выделяемое при затвердевании количество теплоты равно количеству теплоты, поглощаемо­му при плавлении.

В то время как все затвердевающие вещества сжимаются, вода при замерзании расширяется. Пористые строительные материалы, поры которых заполняются водой, могут разрушаться морозом из-за распорного эффекта льда.

ИСПАРЕНИЕ

Жидкости могут испаряться также до достижения своей температуры кипения, од­нако лишь на своей поверхности. Этот процесс называют испарением (рис. 14.92). Испарение происходит тем быстрее, чем суше и подвижнее окружающий воздух и чем ближе температура жидкости лежит к точке испарения. Поэтому при комнат­ной температуре жидкость испаряется тем быстрее, чем ниже лежит ее точка испа-

рения. Например, при комнатной температуре дос­таточно быстро испаряются спирт, нитрораствори­тели и бензин.

При испарении молекулы вылетают с поверхно­сти жидкости и поглощаются воздухом (рис. 14.92).

Необходимую для этого кинетическую энергию они заимствуют у жидкости в виде тепловой энер­гии. Связанное с этим падение температуры назы­вают холодом испарения. Процесс испарения при увеличении площади поверхности жидкости уско­ряется, например, благодаря разрезанию древеси­ны для сушки.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Воздух имеет способность поглощать водяные пары. Содержащее в 1 м3 воздуха количество водя­ного пара в граммах называют абсолютной влаж­ностью воздуха.

Способность воздуха поглощать водяные пары зависит от температуры воздуха. Воздух с высокой температурой накапливает больше жидкости, чем воздух с низкой температурой. Так называемая максимальная влажность воздуха в г/м3 достигает­ся тогда, когда воздух больше не поглощает жид­кость. В этом состоянии воздух насыщен. Так, на­пример, 1 м3 воздуха при температуре 20°С накап­ливает максимально 17,3 г водяного пара, а при температуре 10°С насыщение на­ступает при содержании водяного пара 9,4 г/м3. Максимальное количество водяного пара, которое воздух может впитать при различных температурах, пока­зывают кривые насыщения (рис. 14.93).

Как правило, воздух содержит не максимально возможное количество влаги, то есть 100%, а меньше. Эта влажность воздуха выражается в процентах как отно­шение абсолютной влажности к максимальной влажности и называется относи­тельной влажностью воздуха.

_ п/ абсолютная влажность воздуха-100%

Относительная влажность воздуха, %=——————————————————- — .

максимальная влажность воздуха

Пример: 1 м3 воздуха при температуре 20°С имеет абсолютную влажность, со­ответствующую 10,4 г водяных паров, тогда при максимальной влажности возду­ха 17,3 г/м3 составляет

Относительная влажность воздуха = ^>4 г/м =60%.

17,3 г/м3

Воздух с относительной влажностью 60% может поглощать больше водяных паров, чем воздух с относительной влажностью 70%.

14.2.11.6. Источник тепла

Важнейшим источником тепла на Земле является Солнце. Оно передает тепло посредством излуче­ния, при вертикальном падении солнечные лучи дают около 80 кДж/м2-мин. Другим источником тепла на Земле является твердое, жидкое и газооб­разное топливо. Как правило, топливо имеет рас­тительное или животное происхождение и при сжигании отдает тепло.

При сгорании 1 кг топлива выделяется коли­чество теплоты, обозначаемое как теплота сгорания вещества. Теплота сгорания топлива различна (табл. 14.22).

Возрастающее значение получает производство тепла благодаря атомной и солнечной энергии. Теп­ловая энергия может вырабатываться также благо­даря преобразованию других видов энергии, напри­мер из электрической энергии.

14.2.11.7. Теплопередача

Каждое тело, которое теплее окружающей среды, является для этой среды источником тепла. Пере­дача тепла происходит благодаря тепловому излу­чению, теплоотведению (конвекции) или тепло­проводности.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Тепловые лучи ведут себя так же, как лучи света. Они переносят тепловую энергию как излучение, также через вакуумное пространство, и отдают эту энергию при стол­кновении первому же телу (рис. 14.94). При этом энергия излучения превращается в тепловое движение молекул. Способность поглощать тепловое излучение для раз­личных тел зависит в основном от качества поверхности. Тело с темной и шерша­вой поверхностью поглощает большую часть падающего теплового излучения и бла­годаря этому сильнее нагревается, чем светлые и гладкие тела, которые отражают значительную часть падающего излучения. В качестве примера можно привести поглощение тепла черной крышей автомобиля или дома или черной одеждой при падении на нее солнечных лучей. Наоборот, темные тела излучают тепло быстрее, чем светлые, например батарея. В технике тепловое излучение применяется, на­пример, для отопления помещения, отверждения клеев и лаков.

КОНВЕКЦИЯ

В противоположность тепловому излучению конвекция возможна только в газах и жидкостях. Если эти газы, например воздух, или жидкость, например вода, на­греваются в системе отопления, то они расширяются. Благодаря своей более низ­

кой плотности они легче и поднимаются вверх, в то время как холодные и тяжелые газы или жидко­сти поступают на их место. Образуется газовой по­ток или круговорот жидкости, который отводит тепло из источника тепла и вновь отдает менее на­гретому материалу или веществу, как кирпичная кладка, бетон, воздух и т. д. Примером является циркуляция воздуха в радиаторах и гравитацион­ная система отопления теплой водой (рис. 14.95).

Конвекция происходит также на поверхностях строительных конструкций или в воздушной про­слойке с ограничивающими поверхностями раз­личной температуры, например в оконных стекло­пакетах.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

При теплопроводности выравнивание температу­ры происходит благодаря передаче тепла в веще­стве от молекулы к молекуле, без обмена молекул местами. Тепло передается как энергия колебаний от расположенных ближе к источнику тепла мо­лекул, которые колеблются интенсивно, к сосед­ним молекулам, которые колеблются слабее, благодаря процессам столкнове­ния (рис. 14.96).

Хорошим проводником тепла являются твердые вещества с высокой плотно­стью, особенно металлы. Плохими проводниками тепла являются древесина, ис­кусственные материалы, пористые строительные материалы. Также жидкости и особенно газы плохо проводят тепло в том случае, когда конвекция ограничена.

Теплопроводность веществ тем меньше,

— чем меньше их плотность,

— чем пористее вещество,

— чем меньше поры,

— чем ниже их влажность.